1.2 Grossissement du microscope
TD C. Sayrin - Définition du grossissement commercial. Puisque le microscope forme d’un objet à distance fi-nie une image à l’infini, on cherche à calculer le grossissement commercialGcde ce dispositif optique. Schéma du microscope surslideavec les bonnes notations.
Gcom,mi c= |γob| ∗Gc,oc.
Expérience : mesurer le grossissement commercial du microscope qu’on a sur la paillasse ([73], p. 54)
C’est cette donnée que l’on veut maximiser puisque c’est justement elle qui quantifie l’intérêt du microscope dans l’agrandissement des images. On a donc intérêt à prendre des focales les plus petites possibles mais ça, ça pose des problèmes importants...
1.3 Aberrations liées à l’utilisation des lentilles simples
[77], p. 31 - Aberrations des lentilles : Il est impossible de construire des systèmes optiques sans défauts. Les princi-paux défauts d’images sont dus aux différentes aberrations provoquées par le passage des rayons lumineux au travers de la lentille et de manière générale de n’importe quel système optique non idéal. Notamment :
• Aberration sphérique - Voir [44], p. 129 : Si l’on envoie de la lumière monochromatique sur une lentille convexe de forme sphérique, tous les rayons provenant d’un point ne se concentrent pas en un point. Ils convergent en un point différent suivant que le rayon passe plus ou moins proche du centre de la lentilleslide. Il faut bien noter que ces aberrations ne sont pas intrinsèques au système : elles sont liées au fait qu’on ne travaille pas vraiment dans les conditions de Gauss !
• Aberrations chromatiques (longitudinale/connaître la transversale) - Voir [44], p. 126 : On utilise sur les mi-croscopes modernes de la lumière blanche (polychromatique). Or chaque longueur d’onde est plus ou moins réfractée lors de son passage au travers de la lentille (la plus réfractée est la bleue, d’après la loi de Cauchy).
slide. Elles sont corrigées en faisant des doublets achromates comme le doublet de Fraunhofer, cf. [44], p. 128. Cela corrige à l’ordre un, les microscopes dits apochromats réalisent la superposition des plans focaux pour trois longueurs d’onde distinctes.
Pour l’application de ces corrections aux objectifs de microscope, voir [44], p. 158. En ce qui concerne l’oculaire on a le même genre de problème (mais moins marqués du fait que la focale reste raisonable) que l’on corrige grâce à des verres de champ et d’oeil pour obtenir un achromatisme apparent. Il n’est pas forcément utile d’en parler mais on peut lire [44], . 161.
Transition :Il y a une question qu’on ne s’est pas posée du tout dans le miscroscope précédent, c’est celle du contraste. Pourtant, la plupart des objets que l’on veut observer sont transparents et a priori sans effet sur l’inten-sité lumineuse. Il faut alors travailler avec le seul élément optique modifié à la traversée de l’échantillon par l’onde lumineuse : la phase !
2 La question du contraste et la microscopie par contraste de phase
Pour cette partie, voir le cours de M. Dahan, à partir de la slide 26 ; le cours d’A. Jobart, à partir de la slide 47, cette page de microscopyU pour l’alignement du télescope ou de manière moins technique cette page contenant des généralités sur la technique. Sur cette page on trouve une animation pour comprendre champ clair / champ sombre. Il faut prendre l’image du microscope et voir qui est l’image de qui, comment les rayons progressent sans échan-tillon, interpréter l’influence de l’échantillon et ensuite parler de la phase, de comment on la gère et de son influence sur l’intensité.
Si l’objet est transparent il ne modifie pas l’intensité du signal mais sa phase seulement et du coup ça se voit pas ! [77], p. 191 - Intro historique, puis TD de Sayrin : on explique le principe de l’expérience d’Abbe et du filtrage sur slide. On peut utiliser cette méthode en plaçant un objet de phase PWP (ex : lame de polarisation), pour modifier les contrastes. Calculs de Clément Sayrin avec la vibration lumineuse directe et diffractée : effet d’uneλ/4 : l’intensité dépend de la phase, on y a directement accès. L’image qu’on observe à l’écran a un contraste proportionnel à la phase. Les microscopes à contraste de phase sont utilisés dans les laboratoires de biologie car ils permettent d’étudier les objets vivants sans les colorer et donc sans les tuer. (Prix Nobel ! !)
Pour la réalisation expérimentale, voir [77], p. 194 principe optique du microscope à contraste de phase.
Transition :Cette nouvelle technique permet de mettre dans le microscope des objets épais, mais pose dès lors la question de savoir si on est capable de voir nette toute l’épaisseur de l’objet, et de savoir à quelle profondeur est telle ou telle objet. De plus, on ne voit a priori pas de limite, à ce stade, à avoir de très grand grossissement.
LP N° 32. MICROSCOPIES OPTIQUES. 3. LE PROBLÈME DE LA RÉSOLUTION ET LA MICROSCOPIE CONFOCALE
3 Le problème de la résolution et la microscopie confocale
3.1 Limites de résolution
Limite de résolution horizontale
Voir [44], p. 160 - Limite de résolution imposée par la diffraction (critère de Rayleigh en prérequis), faire la dé-monstration de la note de bas de page ? A minima donner le résultat pour montrer qu’on doit augmenter l’ouverture numérique (Site MicroscopyU) pour avoir une meilleure résolution !
En pratique, il est difficile d’obtenir des valeurs d’ouverture numérique supérieures à 0,95 avec des objectifs secs (cf. MicroscopyU). Des ouvertures numériques plus élevées peuvent être obtenues en augmentant l’indicen de ré-fraction du support de formation d’image entre l’échantillon et la lentille frontale de l’objectif. Il existe désormais des objectifs de microscope permettant d’imager sur d’autres supports, tels que l’eau (indice de réfractionn=1, 33), la glycérine (indice de réfraction ,=1, 47) et l’huile d’immersion (indice de réfractionn=1, 51).slide
Noter d’ailleurs la remarque le fait que c’est bien sûr l’objectif qui limite la résolution du microscope : si il n’est pas bon l’oculaire ne rattrapera pas les défauts ! On peut aussi insister sur la subjectivité du critère de Rayleigh : on fait aujourd’hui des détecteurs qui ont une bien meilleure résolution que cela !
Limite de résolution verticale
Voir [44], p. 157 et [77], p. 70. On reste qualitatif en exprimant juste le lien entre profondeur de champ et ouverture numérique.
3.2 La microscopie confocale
[77], p. 254 - agit comme un couteau optique : examiner l’intérieur des structures épaisses + découper l’échantillon dans plusieurs directions : image 3D. Video du principe : https ://toutestquantique.fr/fluorescent-et-confocal/ Prin-cipe général : reproduction point par point d’un fin diaphragme dans le plan de l’objet. Pour obtenir une image totale, le point lumineux balaie la surface de l’objet au moyen de miroirs. Seules les informations du plan focal parviennent au détecteur : microscope confocal.
3.3 Intérêt supplémentaire de la fluorescence
Ça marche super bien en fluorescence car la lumière diffusée est pratiquement éliminée. PWP Vidéo de la mitose d’une cellule : plus de destruction de l’échantillon, suivre l’évolution et en plus avec chaque couleur on sait qui est qui.
Conclusion :Récap + limites + nouvelles techniques : microscopies non optiques (type électronique ou a champ proche, [44], p. 162.) (PWP limites de résolution)
BONUS:
• L’objectif n’est pas une lentille simple mais composée de deux lentilles : [2] p. 111
• La puissance est aussi une caractéristique du microscope, on peut la relier au grandissement, cf. [44], p. 156. • Optique non paraxiale : points de Weierstrass [44], p. 160.
• Détermination expérimentale de l’ouverture numérique d’un objectif [44], p. 164. • Microscopie classique = à champ clair
• Il faut vraiment regarder les ressources en ligne sur le site de Montrouge, et ne pas hésiter à aller chercher des infos sur wikipédia !
• Je pense qu’on peut assez facilement faire sauter le calcul du grossissement ou de la puissance au profit du reste de la leçon (et supposer que ça a déjà été vu dans un cours d’optique géométrique).
AlexandraD’ARCO Jules FILLETTE
Page 123/188
LP n° 33 : Interférences à deux ondes en optique.
NIVEAU:CPGEPRÉREQUIS:
• Ondes électromagnétiques
• Modèle scalaire de la lumière, chemin optique, mo-dèle des trains d’onde
• Optique géométrique PL AN: